UNSW Sydney Research демонстрирует 20-кратное улучшение сброса квантового бита в его состояние «0»

Команда квантовых инженеров Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее разработала метод перезагрузки квантового компьютера, то есть подготовки квантового бита в состоянии «0».

Новый подвиг квантовых вычислений — это современная интерпретация мысленного эксперимента 150-летней давности, связанного со старой концепцией «демона Максвелла», всеведущего существа, которое может разделить газ на горячий и холодный, наблюдая за скоростью отдельных молекул.

Профессор Андреа Морелло из Университета Нового Южного Уэльса, возглавлявший группу, сказал: «Здесь мы использовали гораздо более современный «демон» — быстрый цифровой вольтметр — для наблюдения за температурой электрона, случайным образом извлеченного из теплого пула электронов».

«При этом мы сделали его намного холоднее, чем бассейн, из которого он был взят, и это соответствует высокой степени уверенности в том, что он находится в вычислительном состоянии «0», — говорит профессор Андреа Морелло из Университета Нового Южного Уэльса, возглавлявший команду.

«Квантовые компьютеры полезны только в том случае, если они могут достигать конечного результата с очень низкой вероятностью ошибок. И можно иметь почти идеальные квантовые операции, но если вычисление началось с неправильного кода, конечный результат тоже будет неправильным».

Наш цифровой «демон Максвелла» дает нам 20-кратное улучшение того, насколько точно мы можем установить начало вычислений». — сказал профессор Морелло.

Исследование было опубликовано в Физический обзор Xжурнал, издаваемый Американским физическим обществом.

Наблюдение за электронами, чтобы сделать их холоднее

Группа профессора Морелло впервые применила спины электронов в кремнии для кодирования и обработки квантовой информации и продемонстрировала рекордно высокую точность — то есть очень низкую вероятность ошибок — при выполнении квантовых операций.

До этого прорыва основным препятствием для эффективных квантовых вычислений с электронами было снижение количества ошибок, связанных с подготовкой электрона в известном состоянии в качестве отправной точки для вычислений.

Ведущий экспериментальный автор статьи доктор Марк Джонсон объяснил, что нормальный способ подготовить квантовое состояние электрона — это перейти к чрезвычайно низким температурам, близким к абсолютному нулю, и надеяться, что все электроны релаксируют в низкоэнергетическое состояние «0».

«К сожалению, даже при использовании самых мощных холодильников у нас оставалась 20-процентная вероятность по ошибке подготовить электрон в состоянии «1». Это было неприемлемо, нам нужно было сделать лучше». — сказал доктор Джонсон.

Доктор Джонсон, выпускник Университета Нового Южного Уэльса в области электротехники, решил использовать очень быстрый цифровой измерительный прибор, чтобы «наблюдать» за состоянием электрона, и использовать процессор для принятия решений в реальном времени внутри прибора, чтобы решить, следует ли сохранить этот электрон и использовать его. его для дальнейших вычислений. Результатом этого процесса было снижение вероятности ошибки с 20 процентов до 1 процента.

Новый поворот, старая идея………..

Профессор Морелло сказал: «Когда мы начали записывать наши результаты и думать, как лучше их объяснить, мы поняли, что то, что мы сделали, было современной интерпретацией старой идеи «демона Максвелла».

«Демон был мысленным экспериментом, чтобы обсудить возможность нарушения второго закона термодинамики, но, конечно же, такого демона никогда не существовало», — говорит профессор Морелло.

В своей статье 1867 года Джеймс Клерк Максвелл представил существо, которое могло бы отслеживать скорость каждой молекулы газа. Он представил коробку, разделенную пополам, с дверцей, которую можно было быстро открывать и закрывать, наполненной газом.

Зная скорость каждой молекулы, демон может открыть дверь, чтобы медленные (холодные) молекулы скопились с одной стороны, а быстрые (горячие) — с другой.

«Демон был мысленным экспериментом, чтобы обсудить возможность нарушения второго закона термодинамики, но, конечно же, такого демона никогда не существовало».

«Теперь, используя быструю цифровую электронику, мы в каком-то смысле создали ее. Мы поручили ему следить только за одним электроном и следить за тем, чтобы он был настолько холодным, насколько это возможно».

«Здесь «холодный» означает, что он находится в состоянии «0» квантового компьютера, который мы хотим построить и использовать». — говорит профессор Морелло.

Квантовые компьютеры желательны, потому что они могут допускать некоторые ошибки. Однако эти ошибки должны быть достаточно редкими. В таком компьютере 1 процент является типичным порогом ошибки, который относится ко всем ошибкам, включая подготовку, работу и считывание конечного результата.

Эта электронная версия «демона Максвелла» позволила команде UNSW сократить количество ошибок при подготовке в двадцать раз, с 20% до 1%.

Об отказоустойчивых квантовых вычислениях

Отказоустойчивые квантовые вычисления требуют инициализации квантового регистра в четко определенном доверительном состоянии. В твердотельных системах это обычно достигается за счет термализации в холодном резервуаре, так что точность инициализации существенно ограничивается температурой.

По словам доктора Джонсона, просто используя современный электронный прибор без дополнительной сложности на уровне квантового оборудования, они смогли подготовить свои электронные квантовые биты с достаточной точностью, чтобы обеспечить надежные последующие вычисления.

«Это важный результат для будущего квантовых вычислений. И весьма необычно, что он также представляет собой воплощение идеи 150-летней давности!» он сказал.